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氫燃料電池堆是整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心部分。其性能和成本直接決定了燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。評(píng)價(jià)氫燃料電池電堆性能的指標(biāo)主要包括其耐久性、啟動(dòng)溫度以及比功率，其中比功率是近兩年國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)重點(diǎn)攻克的方向之一。目前，國(guó)內(nèi)電堆企業(yè)正在迅速崛起，無(wú)論是從膜電極、雙極板等核心零部件技術(shù)突破方面還是從整堆功率等級(jí)，以及功率密度方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
大眾需求促使產(chǎn)業(yè)變革，氫燃料電池汽車的規(guī)?；瘧?yīng)用推動(dòng)了氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的崛起。對(duì)于氫燃料電池電堆而言，成本的快速下降和技術(shù)的迭代更新一直在發(fā)展之中。
商業(yè)化進(jìn)程加速推進(jìn)
燃料電池電堆由多個(gè)燃料電池單體以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。雙極板與膜電極MEA交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。燃料電池電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，為燃料電池系統(tǒng)（或燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)）核心部分。
電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
當(dāng)前，氫燃料電池汽車已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)導(dǎo)入期，以日本豐田Mirai、韓國(guó)現(xiàn)代Nexo以及廣汽AION LX為代表的氫燃料電池汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其在車輛性能和續(xù)航里程等方面已經(jīng)可以媲美傳統(tǒng)燃油車水平。乘用車用燃料電池電堆功率級(jí)別一般在100 kW左右，而商用車用燃料電池電堆功率級(jí)別則通常在30～200 kW范圍內(nèi)。
受技術(shù)儲(chǔ)備、基礎(chǔ)設(shè)施及綜合成本等多種因素的影響，近年來(lái)，我國(guó)燃料電池商用車實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，發(fā)展速度明顯快于燃料電池乘用車。經(jīng)過十幾年的研發(fā)投入，我國(guó)燃料電池技術(shù)趨于成熟，以福田歐輝、鄭州宇通、佛山飛馳等為代表的燃料電池客車正逐步開始市場(chǎng)化進(jìn)程，燃料電池物流車目前也已具備商業(yè)化發(fā)展條件。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2018年12月，我國(guó)燃料電池汽車銷售量已達(dá)到1 527輛。
國(guó)內(nèi)幾家開發(fā)氫燃料電池電堆的企業(yè)在今年頻頻傳出好消息，國(guó)產(chǎn)電堆的性能正在努力提升中。
氫晨科技聯(lián)合上下游企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的H3技術(shù)在現(xiàn)有H2技術(shù)上實(shí)現(xiàn)性能、壽命和可靠性的大幅度提升，單堆230kW的大功率電堆已經(jīng)完成性能測(cè)試，擇機(jī)將向行業(yè)公開發(fā)布?；贖2技術(shù)開發(fā)的80kW、100kW、120kW和150kW等四款大功率電堆均已實(shí)現(xiàn)百臺(tái)級(jí)裝車，目前運(yùn)行狀態(tài)良好。
新研氫能自主研發(fā)的110kW水冷電堆模塊完成了一系列性能試驗(yàn)，目前是新研氫能單堆功率最大的模塊，且該電堆兼容雙堆模塊結(jié)構(gòu)，采用雙堆結(jié)構(gòu)的模塊功率達(dá)200kW。
新源動(dòng)力研發(fā)的第三代車用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊，其技術(shù)性能更加卓越。結(jié)構(gòu)緊湊，高功率密度，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，易于系統(tǒng)集成。額定功率達(dá)到130kW，IP67防護(hù)等級(jí)，低溫冷啟動(dòng)達(dá)到零下40℃。采用金屬雙極板組裝的電堆，性能更高，體積更小，適合裝配乘用車及商用車。
燃料電池電堆的重要組件包括膜電極、雙極板以及質(zhì)子交換膜等，國(guó)內(nèi)目前在多個(gè)方面都有所研究，試圖降低成本，提高燃料電池電堆整體性能。
氫燃料電池電堆核心之一——雙極板
雙極板是燃料電池電堆中極為關(guān)鍵的一個(gè)零部件，能夠使活性氣體均勻分布于活性區(qū)域，傳導(dǎo)電流和支撐膜電極以保持電堆結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并移出燃料電池產(chǎn)生的熱量和水。
雙極板占整個(gè)燃料電池60%的重量和20%的成本，其性能優(yōu)劣直接影響電池輸出功率的大小和使用壽命的長(zhǎng)短。雙極板材料目前主要是石墨雙極板、石墨復(fù)合雙極板以及金屬雙極板，豐田Mirai、本田Clarity和現(xiàn)代NEXO等乘用車均采用金屬雙極板，而商用車一般采用石墨雙極板。
金屬雙極板因具有優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，成為當(dāng)前燃料電池產(chǎn)業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)之一。近日，驥翀氫能在金屬雙極板涂層技術(shù)上獲得突破，在第四代涂層完全解決金屬板防腐、導(dǎo)電、低成本這一行業(yè)瓶頸的基礎(chǔ)上，通過工藝與裝備升級(jí)，高電位耐蝕性提升10倍。
較第三代碳基涂層，第四代涂層在高電位下(1.6Vvs.SHE)的腐蝕電流由200μA/cm2降低到50μA/cm2。本次基于第四代自主連續(xù)化生產(chǎn)裝備，結(jié)合工藝升級(jí)，腐蝕電流進(jìn)一步降低到5μA/cm2。
氫燃料電池電堆核心之二——膜電極
作為燃料電池的核心關(guān)鍵部件，膜電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝非常復(fù)雜，整個(gè)研發(fā)周期長(zhǎng)、技術(shù)壁壘高，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)難度十分高。膜電極決定了電堆性能、壽命和成本的上限。膜電極組件由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層（氣體擴(kuò)散層）組成。
國(guó)產(chǎn)膜電極性能與國(guó)際水平接近，但專業(yè)特性上（例如鉑載量、啟停、冷啟動(dòng)、抗反極等）與國(guó)際水平還有一定差距。但隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)工程化和質(zhì)量控制的差距有望進(jìn)一步縮小。
近期，長(zhǎng)城旗下未勢(shì)能源攻克燃料電池行業(yè)“卡脖子”難題，實(shí)現(xiàn)完全自研全新高性能膜電極規(guī)?；慨a(chǎn)，加速了膜電極國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。長(zhǎng)城創(chuàng)新“梯度技術(shù)”，使膜電極產(chǎn)品單位面積發(fā)電功率、使用壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)大幅提升。該膜電極功率密度達(dá)到1.30W/cm2，耐久性>10000h，鉑載量達(dá)到0.35mg/cm2.
氫燃料電池電堆核心之三——質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜是燃料電池（PEMFC）的核心元件，主要成分以全氟磺酸膜為主，目前大部分依賴進(jìn)口。質(zhì)子交換膜目前主流趨勢(shì)是全氟磺酸增強(qiáng)型復(fù)合膜，質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄型化，由幾十微米降低到十幾微米，降低質(zhì)子傳遞的歐姆極化，以達(dá)到更高的性能。
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)質(zhì)子交換膜的廠家有東岳集團(tuán)旗下的未來(lái)氫能公司，主要經(jīng)營(yíng)燃料電池質(zhì)子交換膜、以及上游原料全氟磺酸樹脂和全氟羧酸樹脂等。其產(chǎn)能、技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。
去年11月，東岳150萬(wàn)平米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期工程正式投產(chǎn)。標(biāo)志著東岳集團(tuán)歷經(jīng)16年艱苦卓絕地科研攻關(guān)，與奔馳、福特進(jìn)行實(shí)用性技術(shù)合作，成為全球兩家能夠?yàn)榱慨a(chǎn)氫燃料電池汽車提供質(zhì)子交換膜的企業(yè)之一。
目前，東岳集團(tuán)擁有全球最完整的燃料電池全氟質(zhì)子膜產(chǎn)業(yè)鏈，擁有含氟功能膜材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，形成涵蓋原材料、關(guān)鍵中間體、樹脂及質(zhì)子交換膜全方位的完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，其中，燃料電池質(zhì)子膜成膜聚合物，榮獲2019年中國(guó)專利金獎(jiǎng)。
燃料電池電堆的成本占整個(gè)氫燃料電池系統(tǒng)的50%左右，實(shí)現(xiàn)燃料電池電堆成本的快速下降和技術(shù)性能的大幅提升有利于我國(guó)更早實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的普及和示范。從雙極板、膜電極到質(zhì)子交換膜，國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程正在不斷提速，國(guó)內(nèi)企業(yè)也在科技創(chuàng)新之路上不斷探索和攻關(guān)。氫燃料電池電堆與燃料電池系統(tǒng)的商業(yè)化與規(guī)?；谥鸩綄?shí)現(xiàn)之中，近年有望打破進(jìn)口壟斷局面。
大眾需求促使產(chǎn)業(yè)變革，氫燃料電池汽車的規(guī)?；瘧?yīng)用推動(dòng)了氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的崛起。對(duì)于氫燃料電池電堆而言，成本的快速下降和技術(shù)的迭代更新一直在發(fā)展之中。
商業(yè)化進(jìn)程加速推進(jìn)
燃料電池電堆由多個(gè)燃料電池單體以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。雙極板與膜電極MEA交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。燃料電池電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，為燃料電池系統(tǒng)（或燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)）核心部分。
電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
當(dāng)前，氫燃料電池汽車已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)導(dǎo)入期，以日本豐田Mirai、韓國(guó)現(xiàn)代Nexo以及廣汽AION LX為代表的氫燃料電池汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其在車輛性能和續(xù)航里程等方面已經(jīng)可以媲美傳統(tǒng)燃油車水平。乘用車用燃料電池電堆功率級(jí)別一般在100 kW左右，而商用車用燃料電池電堆功率級(jí)別則通常在30～200 kW范圍內(nèi)。
受技術(shù)儲(chǔ)備、基礎(chǔ)設(shè)施及綜合成本等多種因素的影響，近年來(lái)，我國(guó)燃料電池商用車實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，發(fā)展速度明顯快于燃料電池乘用車。經(jīng)過十幾年的研發(fā)投入，我國(guó)燃料電池技術(shù)趨于成熟，以福田歐輝、鄭州宇通、佛山飛馳等為代表的燃料電池客車正逐步開始市場(chǎng)化進(jìn)程，燃料電池物流車目前也已具備商業(yè)化發(fā)展條件。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2018年12月，我國(guó)燃料電池汽車銷售量已達(dá)到1 527輛。
國(guó)內(nèi)幾家開發(fā)氫燃料電池電堆的企業(yè)在今年頻頻傳出好消息，國(guó)產(chǎn)電堆的性能正在努力提升中。
氫晨科技聯(lián)合上下游企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的H3技術(shù)在現(xiàn)有H2技術(shù)上實(shí)現(xiàn)性能、壽命和可靠性的大幅度提升，單堆230kW的大功率電堆已經(jīng)完成性能測(cè)試，擇機(jī)將向行業(yè)公開發(fā)布?；贖2技術(shù)開發(fā)的80kW、100kW、120kW和150kW等四款大功率電堆均已實(shí)現(xiàn)百臺(tái)級(jí)裝車，目前運(yùn)行狀態(tài)良好。
新研氫能自主研發(fā)的110kW水冷電堆模塊完成了一系列性能試驗(yàn)，目前是新研氫能單堆功率最大的模塊，且該電堆兼容雙堆模塊結(jié)構(gòu)，采用雙堆結(jié)構(gòu)的模塊功率達(dá)200kW。
新源動(dòng)力研發(fā)的第三代車用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊，其技術(shù)性能更加卓越。結(jié)構(gòu)緊湊，高功率密度，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，易于系統(tǒng)集成。額定功率達(dá)到130kW，IP67防護(hù)等級(jí)，低溫冷啟動(dòng)達(dá)到零下40℃。采用金屬雙極板組裝的電堆，性能更高，體積更小，適合裝配乘用車及商用車。
燃料電池電堆的重要組件包括膜電極、雙極板以及質(zhì)子交換膜等，國(guó)內(nèi)目前在多個(gè)方面都有所研究，試圖降低成本，提高燃料電池電堆整體性能。
氫燃料電池電堆核心之一——雙極板
雙極板是燃料電池電堆中極為關(guān)鍵的一個(gè)零部件，能夠使活性氣體均勻分布于活性區(qū)域，傳導(dǎo)電流和支撐膜電極以保持電堆結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并移出燃料電池產(chǎn)生的熱量和水。
雙極板占整個(gè)燃料電池60%的重量和20%的成本，其性能優(yōu)劣直接影響電池輸出功率的大小和使用壽命的長(zhǎng)短。雙極板材料目前主要是石墨雙極板、石墨復(fù)合雙極板以及金屬雙極板，豐田Mirai、本田Clarity和現(xiàn)代NEXO等乘用車均采用金屬雙極板，而商用車一般采用石墨雙極板。
金屬雙極板因具有優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能，成為當(dāng)前燃料電池產(chǎn)業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)之一。近日，驥翀氫能在金屬雙極板涂層技術(shù)上獲得突破，在第四代涂層完全解決金屬板防腐、導(dǎo)電、低成本這一行業(yè)瓶頸的基礎(chǔ)上，通過工藝與裝備升級(jí)，高電位耐蝕性提升10倍。
較第三代碳基涂層，第四代涂層在高電位下(1.6Vvs.SHE)的腐蝕電流由200μA/cm2降低到50μA/cm2。本次基于第四代自主連續(xù)化生產(chǎn)裝備，結(jié)合工藝升級(jí)，腐蝕電流進(jìn)一步降低到5μA/cm2。
氫燃料電池電堆核心之二——膜電極
作為燃料電池的核心關(guān)鍵部件，膜電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝非常復(fù)雜，整個(gè)研發(fā)周期長(zhǎng)、技術(shù)壁壘高，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)難度十分高。膜電極決定了電堆性能、壽命和成本的上限。膜電極組件由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層（氣體擴(kuò)散層）組成。
國(guó)產(chǎn)膜電極性能與國(guó)際水平接近，但專業(yè)特性上（例如鉑載量、啟停、冷啟動(dòng)、抗反極等）與國(guó)際水平還有一定差距。但隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)工程化和質(zhì)量控制的差距有望進(jìn)一步縮小。
近期，長(zhǎng)城旗下未勢(shì)能源攻克燃料電池行業(yè)“卡脖子”難題，實(shí)現(xiàn)完全自研全新高性能膜電極規(guī)?；慨a(chǎn)，加速了膜電極國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。長(zhǎng)城創(chuàng)新“梯度技術(shù)”，使膜電極產(chǎn)品單位面積發(fā)電功率、使用壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)大幅提升。該膜電極功率密度達(dá)到1.30W/cm2，耐久性>10000h，鉑載量達(dá)到0.35mg/cm2.
氫燃料電池電堆核心之三——質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜是燃料電池（PEMFC）的核心元件，主要成分以全氟磺酸膜為主，目前大部分依賴進(jìn)口。質(zhì)子交換膜目前主流趨勢(shì)是全氟磺酸增強(qiáng)型復(fù)合膜，質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄型化，由幾十微米降低到十幾微米，降低質(zhì)子傳遞的歐姆極化，以達(dá)到更高的性能。
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)質(zhì)子交換膜的廠家有東岳集團(tuán)旗下的未來(lái)氫能公司，主要經(jīng)營(yíng)燃料電池質(zhì)子交換膜、以及上游原料全氟磺酸樹脂和全氟羧酸樹脂等。其產(chǎn)能、技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。
去年11月，東岳150萬(wàn)平米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期工程正式投產(chǎn)。標(biāo)志著東岳集團(tuán)歷經(jīng)16年艱苦卓絕地科研攻關(guān)，與奔馳、福特進(jìn)行實(shí)用性技術(shù)合作，成為全球兩家能夠?yàn)榱慨a(chǎn)氫燃料電池汽車提供質(zhì)子交換膜的企業(yè)之一。
目前，東岳集團(tuán)擁有全球最完整的燃料電池全氟質(zhì)子膜產(chǎn)業(yè)鏈，擁有含氟功能膜材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，形成涵蓋原材料、關(guān)鍵中間體、樹脂及質(zhì)子交換膜全方位的完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，其中，燃料電池質(zhì)子膜成膜聚合物，榮獲2019年中國(guó)專利金獎(jiǎng)。
燃料電池電堆的成本占整個(gè)氫燃料電池系統(tǒng)的50%左右，實(shí)現(xiàn)燃料電池電堆成本的快速下降和技術(shù)性能的大幅提升有利于我國(guó)更早實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的普及和示范。從雙極板、膜電極到質(zhì)子交換膜，國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程正在不斷提速，國(guó)內(nèi)企業(yè)也在科技創(chuàng)新之路上不斷探索和攻關(guān)。氫燃料電池電堆與燃料電池系統(tǒng)的商業(yè)化與規(guī)?；谥鸩綄?shí)現(xiàn)之中，近年有望打破進(jìn)口壟斷局面。
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